Солнце как звезда, прошлое, настоящее и будущее солнца

солнце как звезда, прошлое, настоящее и будущее солнца

Содержание

Введение

Нашу звезду - Солнце - относят к средним или даже малым по величине, ничем не выдающимся небесным телам. Солнце – большой и массивный плазменный (плазма – ионизированный газ) шар, являющийся динамическим центром солнечной системы и источником света и тепла в ней. Эта звезда не прожила еще и половины срока, отведенного ей природой, - от рождения до смерти. Однако она уже израсходовала почти половину водорода, который в ядре светила превращается в гелий, высвобождая гигантскую энергию.

Солнце освещает и согревает нашу планету. Без его энергии была бы не возможна жизнь на нашей планете, не только человеку, но и всей флоре и фауне, которые нас окружают. Солнце – главный источник энергии, питающий происходящие на Земле процессы. Но не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различные виды солнечного излучения и потоки частиц постоянно оказывают влияние на жизнь нашей планеты. Огромное влияние оказывает Солнца на здоровье человека.

Проблема возникновения солнца волновала людей с древности. Человеку было важно понять, что такое этот мир, кто или что послужило толчком и основой для его возникновения. Философы древности и ученые-естествоиспытатели выдвигали множество гипотез о возникновении Солнечной системы. До нас дошли лишь немногие, наиболее полные, наиболее обоснованные из них.

Проблема происхождения Солнца не утратила своей актуальности и на сегодняшний момент. Сегодня ученые, пытаясь точно понять и обосновать процессы, которые привели к возникновению Солнечной системы, надеются объяснить и происхождение всей Вселенной, а также и то, возможны ли еще планетные системы и разумная жизнь во Вселенной. 
Вопросы о происхождении и эволюции небесных тел изучаются особым отделом астрономии, называемом космогонией. Космогонические проблемы имеют большое значение для развития научного мировоззрения в целом, и поэтому они всегда интересовали не только астрономов. Вместе с тем космогонические проблемы относятся к числу наиболее трудных астрономических задач. 

Целью работы является изучить и проанализировать вопрос о солнце как звезде, прошлом, настоящем и будущем солнца. 

1. солнце как звезда

Солнце находится на расстоянии 149 500 000 км от имеет диаметр, примерно в 100 раз больший, чем диаметр Земли (1,39 • 1011 см). Масса Солнца - 2 • 1033 г, средняя плотность вещества равна 1,6 плотности воды. Однако эта плотность сильно меняется с глубиной, будучи очень малой во внешних слоях (солнечной «атмосфере», короне) и ольшой вблизи центра (в 100 раз больше плотности воды). Температура Солнца также сильно варьирует: от 5800 К на поверхности (видимая поверхность Солнца называется фотосферой) и до 2,3 • 107 К в центре, где идут термоядерные реакции. Большие температуры наблюдаются и в газовой солнечной короне на большом расстоянии от поверхности - около 106 °С. Столь высокая температура объясняется ударной волной в разреженной плазме, составляющей корону. В свою очередь, ударная волна возникает вследствие звуковых волн, порожденных вихрями (турбулентностью) на поверхности Солнца.

В центре Солнца при очень больших температурах не могут существовать ни молекулы, ни атомы. Мы имеем плазму - газ электронов, легких атомных ядер, в основном водорода и гелия, и небольшого количества атомов тяжелых элементов.

Солнце имеет магнитное поле. На его поверхности имеется сеть постоянно меняющихся светлых и темных областей - гранул, наблюдаются «пятна», а также яркие вспышки. Над поверхностью Солнца поднимаются газовые фонтаны - протуберанцы, наблюдаемые при солнечных затмениях. Перечисленные явления объясняются исходя из принципов классической электродинамики и газовой динамики.

Излучение Солнца - основной источник жизни на Земле. Прежде всего эту энергию потребляют растения, а вслед за ними и все живые существа, получая ее через растения и непосредственно. Полное излучение Солнца приблизительно равно 4 • 1033 эрг/с1.

Средняя скорость производства солнечной энергии на 1 г (энергия «горения») равна 2 эрг/г • с. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции, идущие при больших давлениях и температурах в центре Солнца. Термоядерная реакция - это реакция превращения водорода в гелий, реализуемая на Земле в термоядерных бомбах.

Водород составляет 50% Солнца. Такого количества водорода, превращающегося в гелий, достаточно для объяснения энергии Солнца. Считается, что примерно за 5 млрд. лет на Солнце сгорело около половины водорода. За следующие 5 млрд. лет сгорит остальной водород, и тогда термоядерные реакции из центральной, «выгоревшей» области перейдут в оболочку Это приведет к расширению Солнца вплоть до орбиты Земли, и оно станет красным гигантом - звездой огромного объема, а затем снова сожмется и перейдет в стадию белого карлика.

Земному наблюдателю солнце представиться в виде диска с резко отчерченным краем (лимбом). Видимый диаметр Солнца меняется в течение года от 32°35" до 31°31". Происходит это потому, что земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по вытянутому овалу – эллипсу то, удаляясь, то, приближаясь к нему (рис. слева). Наблюдение отдельных деталей на поверхности Солнца и измерение смещений спектральных линий на самом краю лимба говорят о вращении солнечного вещества вокруг оси. Как и на земле на Солнце есть экватор – плоскость, проходящая через центр Солнца и перпендикулярная оси его вращения. Он находиться под углом 7º15´ по отношению к плоскости эклиптики (эклиптика – годовой путь солнца по небесной сфере). Угол между Плоскостью экватора и направлением, на какую либо точку солнечной поверхностью называется гелиографической широтой. Угол между плоскостью центрального меридиана (меридиан - прошедшего через восходящий узел Солнечного экватора на эклиптике в средний гринвичский полдень 01.01.1854 г.) и плоскостью меридиана какой либо точки называется гелиографической долготой.

Вращение солнца обладает одной замечательной особенностью – его угловая скорость убывает с удалением от экватора (рис. слева). То есть различные пояса солнца вращаются с различной скоростью, быстрее всего солнце вращается у экватора (один оборот за 27 суток), а медленнее всего у полюсов (один оборот за 32 суток). Следует отметить, что выше речь шла о той скорости вращения, которую мы видим с Земли – сидерический период, но так как наша планета двигается в космическом пространстве по своей орбите вокруг солнца вращение последнего кажется нам несколько замедленным, а истинное значение периода вращения Солнца относительно звезд (синодический период) составляет у экватора 25суток, у полюсов 30 суток. Так как Солнце вращается с различными скоростями, мы не можем связать систему гелиографических координат со всеми точками его поверхности. Условно гелиографические меридианы связывают с точками, имеющими широты ±16º. Для этой широты сидерический период составляет 25,38 суток, а синодический 27,38 суток.

В окрестностях Солнца удается проследить участки двух спиральных ветвей, удаленных от нас примерно на 3 000 световых лет. По созвездиям, где обнаруживаются эти участки, их, называют рукавом Стрельца и рукавом Персея. Солнце находится почти посередине между этими спиральными ветвями. Правда, сравнительно близко (по галактическим меркам) от нас, в созвездии Ориона, проходит еще одно, не столь явно выраженная ветвь, считающаяся ответвлением одного из основных спиральных рукавов Галактики. Расстояние от Солнца до центра Галактики составляет 23 – 28 тысяч световых лет, что составляет примерно 7 – 9 тысяч парсек. Это говорит о том, что Солнце располагается между центром и краем диска Галактики. Вместе со всеми близкими звездами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 200 – 220 километров в секунду, совершая один оборот примерно за 200 миллионов лет. Значит, за все время своего существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз. Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики практически совпадает с той скоростью, с которой в данном районе движется волна уплотнения, формирующая спиральный рукав. Такая ситуация в общем неординарна для Галактики: спиральные ветви вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы колеса, а движение звезд подчиняется совершенно иной закономерности. Поэтому почти все звездное население диска то попадает внутрь спиральных ветвей, то выходит из них. Единственное место, где скорости звезд и рукавов совпадают, – это так называемая коротационная окружность. Именно вблизи нее и располагается Солнце. Для Земли это обстоятельство крайне благоприятно. Ведь в спиральных ветвях происходят бурные процессы, порождающие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не могла бы от него защитить. Но наша планета существует в относительно спокойном месте Галактики и в течении сотен миллионов и миллиардов лет не испытывала катастрофического влияния космических катаклизмов. Может быть, именно поэтому на Земле могла сохраниться жизнь. Долгое время положение Солнца среди звезд считалось самым заурядным. Сегодня мы знаем, что это не так: в известном смысле оно привилегированное. И это нужно учитывать, рассуждая о возможности существования жизни в других частях нашей Галактики. Солнце (и Солнечная система) движется со скоростью 20 км/с в направлении к границе созвездий Лиры и Геркулеса. Это объясняется местным движением внутри ближайших звезд. Эта точка называется апексом движения Солнца, ее координаты α ≈ 18h, δ ≈ +30°. Точка на небесной сфере, противоположная апексу, называется антиапекс. В этой точке пересекаются направления собственных скоростей ближайших к Солнцу звезд. Движения ближайших к Солнцу звезд происходят с небольшой скоростью, это не мешает им участвовать в обращении вокруг галактического центра. Солнечная система участвует во вращении вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Это движение происходит в направлении созвездия Лебедя. Период обращения Солнца вокруг галактического центра около 220 млн. лет2.

2. прошлое и настоящее солнца  в свете различных Гипотез

Для развития материалистического мировоззрения огромную роль играли научные предположения о происхождении солнца. Приведём их краткое изложение.

В 1755 году И.Кант выдвинул свою гипотезу о происхождении солнца. Он исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело - будущее солнце, а потом на периферии сформировались планеты. Эта картина, по-видимому, в общих чертах правильна, но она не поддавалась детальной разработке, т.к. еще не существовало атомной теории, термодинамики, кинетической теории газов, сведений о космическом обилии элементов и многих других необходимых данных: Несмотря на это спустя полвека появилась гипотеза П.Лапласа , частично связанная с идеей Канта.

Более 50 лет основным руководством по теоретической астрономии был труд гениального астронома и математика П.С. Лапласа «Трактат о небесной механике». Он не потерял своего значения и в наши дни. В этой работе ученый дал свой новый способ вычисления орбит небесных тел, доказал устойчивость Солнечной системы. Лаплас предложил свою оригинальную теорию образования Солнца. Во многом эта гипотеза перекликается с трудами Канта, однако, в ряде важных вопросов эти теории резко различаются. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникало центральное массивное тело – будущее Солнце, а потом уже планеты, в то время, как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца концентрировались, образуя планеты. В первоначальном состоянии планеты были раскаленными, а потом благодаря излучению стали холодными. Что касается Солнца, то оно образовывалось из центральной части раскаленной туманности, которая после отделения ряда колец подверглась некоторому сжатию и приняла нынешнюю форму. Аналогично Лаплас объяснял и образование спутников планет с той только разницей, что кольца отделялись не от будущего Солнца, а от будущих планет. Таким образом , согласно гипотезе Лапласа, планеты образовывались раньше Солнца, что резко контрастирует с представлениями Канта. Но, несмотря на такое резкое различие между двумя гипотезами, общей их важнейшей особенностью является их представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято объединять эти две концепции в одну и называть ее «гипотезой Канта - Лапласа». В истории науки эта гипотеза сыграла огромную роль. Почти сто лет она владела умами ученых. Это и понятно: гипотеза опиралась на известные законы механики и закон всемирного тяготения Ньютона, который не вызывал никаких сомнений.

Гипотеза «Канта - Лапласа» нанесла сокрушительный удар библейским представлениям о божественном сотворении Земли, Солнца, планет и звезд, о том, что Вселенная всегда пребывает в неизменном состоянии.

Уже в середине 19 века стало ясно, что эта гипотеза сталкивается с фундаментальной трудностью. Дело в том, что наша планетная система, состоящая из планет весьма разных размеров, обладает одной замечательной особенностью. Речь идет о необычном распределении момента количества движения Солнечной системы между центральным телом - Солнцем и планетами.

Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему мы можем рассматривать Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения может быть определен как «запас вращения» системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг своих осей Солнца и планет.

Гипотеза Хойла, английского астрофизика, выдвинутая им в 1958 году и дополненная в 1972 году     говорит о том, что первоначальная туманность была газово-пылевой, а «утечка» момента была обусловлена тем, что силовые линии межзвездного магнитного поля «приклеены» к конденсирующему облаку,  «перекачивают» момент от облака к окружающей межзвездной среде. В дальнейшем в формирующейся звезде будет присутствовать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с диском, образовавшимся из околозвездного вещества. Таким образом, момент количества движения будет передаваться образовывающимся планетам, которые и «унесут» с собой долю момента.

Таковы в общих чертах основные результаты космогонической гипотезы Хойла. Однако она имеет ряд противоречий. Оказывается, что предполагаемая масса протопланетного облака (примерно 0,1 массы Солнца) слишком мала для возникновения гравитационной неустойчивости, при которой вещество отделяется от звезды.

Перекачка  момента от протооблака межзвездной среды может продолжаться лишь до тех пор, пока плотность звезды не станет достаточно большой.

Следующая гипотеза пытается обойти трудности в теории Хойла. Это гипотеза Шмидта3.

Выдающийся советский ученый и общественный деятель О.Ю. Шмидт в 1944 году предположил свою теорию происхождения Солнца. По его гипотезе наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из холодной газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти современный вид. При этом никаких трудностей с вращательным моментом планет не возникает, т.к. первоначальный момент вещества облака может сколь угодно большим. Затем со временем форма захваченного вещества менялась, столкновение частиц и обмен энергии между ними приводили к тому, что это облако постепенно сплющивалось, а орбиты частиц становились круговыми. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие. Стало преобладать движение в одном направлении. Возникали сгустки вещества, которое теперь распределялось в виде диска, имевшего толщину, составляющую 10   - 10   от его диаметра. Быстрее всего росла масса крупнейших сгустков. Затем из большого числа первоначально образовавшихся «рыхлых» комков вещества, всевозможных размеров, возникло несколько крупных тел - планет.